(57)【要約】【課題】燃料電池を構成する単セルを薄型化することによって燃料電池内部での電圧損失を抑制する技術を提供する。【解決手段】膜電極接合体１１を凹凸を有した波板形状とする。２枚の金属板１２ａ、１２ｃを接合してセパレータ１２を形成する。その際、セパレータ１２には、金属板１２ａに溝を設けることによって冷媒流路ＷＰを形成する。膜電極接合体１１のアノード電極層１４ａ側の凹部（第１流路形成部位１１Ａ）に冷媒流路ＷＰが収納されるようにセパレータ１２を配置して単セル１０とする。第１流路形成部位１１Ａの冷媒流路ＷＰの存在しない部位がアノード流路ＡＰとなり、カソード電極層１４ｃ側の凹部（第２流路形成部位１１Ｂ）が、カソード流路ＣＰとなる。矢印Ｐ方向から平面Ｓへ単セル１０を投影すると、各流路の投影領域Ｐｗ、Ｐａ、Ｐｃと膜電極接合体１１の投影領域Ｐｍは、少なくとも一部が重なり合う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を構成する単セルであって、
凹凸形状を有した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するセパレータと、
アノードガス流路とカソードガス流路と冷媒流路とを含む複数の流体流路と、
を備え、
前記流体流路は、前記膜電極接合体と前記流体流路とを、前記単セルの厚み方向及び前記流体流路の流路方向に対して垂直な方向から同一平面上に投影したとき、前記膜電極接合体の投影領域と前記流体流路のそれぞれの投影領域との少なくとも一部が重なり合うことを特徴とする単セル。
【請求項２】
請求項１記載の単セルであって、
前記流体流路のそれぞれの投影領域の少なくとも一部が互いに重なり合う領域を有することを特徴とする単セル。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の単セルであって、
前記アノードガス流路と前記冷媒流路とは、前記膜電極接合体に対して同じ側に設けられていることを特徴とする単セル。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の単セルであって、
前記アノードガス流路および前記カソードガス流路には、少なくとも一部に多孔体を有していることを特徴とする単セル。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の単セルであって、
前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路は、前記膜電極接合体の凹凸と前記セパレータとの間に形成されていることを特徴とする単セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に用いられる単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、単セルと呼ばれる発電モジュールを積層したスタック構造を有している。単セルは膜電極接合体をセパレータと呼ばれる金属板で挟持した構成を有しており、膜電極接合体は、電解質膜を電極層で挟持した構成を有している。単セルは、膜電極接合体の２つの電極層にそれぞれ水素及び酸素が供給されると、その電気化学反応によって発電する。
【０００３】
一般的に膜電極接合体は、その発電部位である電極層の表面積を増すことにより発電量が増す。そこで平面上の膜電極接合体を折り曲げるなどして立体的な形状（例えば凹凸形状）とし、単セルあたりの電極層の表面積を増すことによって発電効率を向上する種々の膜電極接合体が提案されている（特許文献１等）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２２４６７７
【特許文献２】特開２００４−１８５９３７
【特許文献３】特開平６−２１５７７８
【特許文献４】特開平４−１５４０４７
【０００５】
しかし、折り曲げた膜電極接合体をセパレータで挟持した単セルは、膜電極接合体を折り曲げた分だけその厚みを増してしまいその体積が増加していた。その体積増加に伴って単セル自体の電気抵抗が増し、燃料電池の電圧損失が大きくなる可能性があることを本発明の発明者が見出した。しかし、これまでそうした問題に対して充分な工夫がなされてこなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池を構成する単セルを薄型化することによって燃料電池内部での電圧損失を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を構成する単セルであって、凹凸形状を有した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するセパレータと、アノードガス流路とカソードガス流路と冷媒流路とを含む複数の流体流路とを備え、前記流体流路は、前記膜電極接合体と前記流体流路とを、前記単セルの厚み方向及び前記流体流路の流路方向に対して垂直な方向から同一平面上に投影したとき、前記膜電極接合体の投影領域と前記流体流路のそれぞれの投影領域との少なくとも一部が重なり合うことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、各流体流路の少なくともその一部が、膜電極接合体の凹部に収納され、単セルを薄型化できる。
【０００９】
上記単セルは、前記流体流路のそれぞれの投影領域の少なくとも一部が互いに重なり合う領域を有することを特徴とするものとしても良い。
【００１０】
この構成によれば、各流体流路を前記投影方向に一列に配置することができる。
【００１１】
上記単セルは、前記アノード流路と前記冷媒流路とは、前記膜電極接合体に対して同じ側に設けられていることを特徴とするものとしても良い。
【００１２】
この構成によれば、カソードガス流路の流路容積は、アノードガス流路の流路容積に較べて、冷媒流路が形成される分だけ、大きくとることができる。そのため、ガス拡散速度が遅いカソードガス（酸素）とガス拡散速度の速いアノードガス（水素）との供給量の均衡をとることができる。
【００１３】
上記単セルは、前記膜電極接合体の電極層と前記セパレータとが直接接する部位を有することを特徴とするものとしても良い。
【００１４】
この構成によれば、単セルをさらに薄型化できる。
【００１５】
上記単セルは、前記アノードガス流路および前記カソードガス流路には、少なくとも一部に多孔体を有していることを特徴とするものとしても良い。
【００１６】
この構成によれば、膜電極接合体の凹凸形状を保持するための部材としての機能を多孔体が担うこともでき、また、膜電極接合体とセパレータとの間の電気の経路を多孔体によって確保することもできる。
【００１７】
上記単セルは、前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路が前記膜電極接合体の凹凸と前記セパレータとの間に形成されていることを特徴とするものとしても良い。
【００１８】
この構成によれば、膜電極接合体のアノード側の凹部（カソード側の凸部）とセパレータとの間にはアノードガス流路が形成され、膜電極接合体のカソード側の凹部（アノード側の凸部）とセパレータとの間にはカソードガス流路が形成される。
【００１９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、発電モジュールである単セル、その単セルを備えた燃料電池、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施例として燃料電池の構造を示す断面図である。燃料電池１０００は、単セル１０を積層したスタック構造を有している。燃料電池１０００は、発電モジュールである単セル１０を直列に接続し集電する。
【００２２】
図１（Ｂ）は、単セル１０の構造を示す断面図である。単セル１０は、膜電極接合体１１と、セパレータ１２とから構成される。膜電極接合体１１は、電解質膜１３をアノード電極層１４ａとカソード電極層１４ｃとによって挟持した構成を有している。セパレータ１２は、２枚の薄い金属板１２ａ、１２ｃで構成されており、膜電極接合体１１のアノード電極層１４ａにアノード側の金属板１２ａが接するように配置されている。
【００２３】
セパレータ１２には、アノード側の金属板１２ａの一部を突出させて溝を形成することにより、カソード側の金属板１２ｃとの間に冷媒流路ＷＰが設けられている。冷媒流路ＷＰは、単セル１０の温度調整をするために冷媒が流入するためのものである。
【００２４】
電解質膜１３はプロトン伝導性を備え、湿潤状態において良好な電気伝導性を示す固体高分子材料からなる薄膜である。電解質膜１３を挟持する２つの電極層１４ａ、１４ｃには、電気化学反応を促進する触媒（例えば白金）が担持されている。また、２つの電極層１４ａ、１４ｃは、電解質膜１３と接しない外面をそれぞれガス拡散層１５で覆われている。ガス拡散層１５は、その厚み方向にガスを拡散する性質により各電極層の全面に燃料ガスを供給する機能を持つ。ガス拡散層１５は、金属系の多孔体としても良く、カーボンペーパーとしても良い。
【００２５】
なお、本明細書においては、「膜電極接合体」とは、少なくとも電解質膜と、電解質膜を両側から挟持する一対の電極層とで構成されたものを意味する用語として使用し、「電極層」とは、少なくとも触媒層とガス拡散層とで構成される層構造を意味するものとして使用する。
【００２６】
膜電極接合体１１は、矩形波状の凹凸を有している。即ち、アノード電極層１４ａとカソード電極層１４ｃとは、交互に凹部と凸部を有している。以後、膜電極接合体１１のカソード電極層１４ｃ側から見たときの凸部（即ちアノード電極層１４ａ側から見たときの凹部）を「第１流路形成部位１１Ａ」と呼び、カソード電極層１４ｃ側から見たときの凹部（即ちアノード電極層１４ａ側から見たときの凸部）を「第２流路形成部位１１Ｂ」と呼ぶ。なお、膜電極接合体１１の凹凸は、矩形波状でなくとも良く、波形板状であれば良く、例えばコルゲート形状であるものとしても良い。
【００２７】
第１流路形成部位１１Ａには、セパレータ１２に設けられた冷媒流路ＷＰが収納される。第１流路形成部位１１Ａの冷媒流路ＷＰの存在しない領域が、水素の流路となるアノード流路ＡＰとなる。他方、第２流路形成部位１１Ｂが、酸素の流路となるカソード流路ＣＰとなる。アノード流路ＡＰおよびカソード流路ＣＰには、導電性をもつ多孔体１６が収納されている。なお、アノード流路ＡＰの断面積は、カソード流路ＣＰの断面積よりも小さい。
【００２８】
水素の拡散速度は、酸素に較べて高いため、アノード流路ＡＰの流路容積がカソード流路ＣＰの流路容積よりも小さいとしても、膜電極接合体１１への単位容積あたりの水素の供給量は確保できる。従って、冷媒流路ＷＰをアノード流路ＡＰと同じくアノード電極層１４ａ側に配置することによって、アノード流路ＡＰの流路容積が減少することを許容できる。
【００２９】
図１（Ｂ）の矢印Ｐの方向に膜電極接合体１１及び３つの流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰを同一平面Ｓ上に投影した場合を想定する。すると、図示するように膜電極接合体１１の投影領域Ｐｍと、各流路の投影領域（冷媒流路ＷＰの投影領域Ｐｗ、アノード流路の投影領域Ｐａ、カソード流路の投影領域Ｐｃ）とは重なり合う領域がある。即ち、単セル１０の厚みは、膜電極接合体１１の凹凸によって形成される厚み幅の領域内に各流体流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰが存在する分だけ単セル１０は薄型となっている。なお、この構成では、各流体流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰの投影領域Ｐｗ、Ｐａ、Ｐｃもそれぞれ重なり合っている。
【００３０】
単セル１０が薄くなれば、その分だけ単セル１０で生じる電気の流れる経路も短くなり、単セル内での電圧損失を抑制できる。また、燃料電池１０００の単位体積あたりの発電量も向上し、燃料電池１０００を限られた空間（例えば車両など）に用いるシステムに導入する際に有効である。
【００３１】
図２（Ａ）は、第１実施例としての単セルに用いるシール一体型膜電極接合体２０を示す概略図である。図２（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ、図２（Ａ）において示す２Ｂ−２Ｂ切断、２Ｃ−２Ｃ切断、２Ｄ−２Ｄ切断における断面を示している。なお、本明細書においては、「シール一体型膜電極接合体」とは、膜電極接合体の両面にシールガスケットが射出成形されたものを意味する用語として使用する。
【００３２】
シール一体型膜電極接合体２０の膜電極接合体１１は、図１（Ｂ）で示した第１流路形成部位１１Ａと第２流路形成部位１１Ｂとをそれぞれ交互に２組有している（図２（Ａ）、（Ｂ））。
【００３３】
膜電極接合体１１に第１流路形成部位１１Ａ及び第２流路形成部位１１Ｂを形成するには以下のような方法がある。まず、そのガス拡散層１５に金属系の多孔体を用いる場合には、ガス拡散層１５に対して曲げたり、削るなどの加工により２つの流路形成部位１１Ａ、１１Ｂの凹凸形状を形成しておき、電極触媒層をもうけた電解質膜１３をそのガス拡散層１５で挟持する。
【００３４】
あるいは、ガス拡散層１５にカーボンペーパーを用いている場合には、たわんだ状態の膜電極接合体１１を単セルとしてセパレータに組み付ける際に（後述）、セパレータ及び２つの流路ＡＰ、ＣＰに配置する多孔体１６の形状に沿わせることで形成できる。
【００３５】
膜電極接合体１１の外周縁には、シールガスケット２３が成形され、その端面が被覆されている。シールガスケット２３の厚みＬ１（図２（Ｂ））は、シール一体型膜電極接合体２０を単セルとして組み付けた際に、流体が単セルの外部へと漏洩しないだけの厚みを有していることが好ましい。
【００３６】
また、図２（Ａ）に示す膜電極接合体１１の左右の端に接するシールガスケット２３の部位２３ｔは、図２（Ｃ）に示すように、膜電極接合体１１とほぼ同じ厚みで成形されている（以後部位２３ｔを「薄部２３ｔ」と呼ぶ）。
【００３７】
薄部２３ｔには、貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が形成されている。マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２はそれぞれ冷媒である水の供給及び排出を担う。マニホールド孔Ｍ３、Ｍ４は、水素の供給及び排出を担う。マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６は、酸素の供給及び排出を担う。供給用のマニホールド孔Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５は、排出用のマニホールド孔Ｍ２、Ｍ４、Ｍ６と膜電極接合体１１を挟んでそれぞれ対向する位置に形成されている。
【００３８】
水用のマニホールド孔Ｍ１、Ｍ２は、後述するように単セルとして組み付けた際に、第１流路形成部位１１Ａにおいて冷媒流路ＷＰと連結するように形成されている。水素用マニホールド孔Ｍ３、Ｍ４も同様に、第１流路形成部位１１Ａにおいて形成されるアノード流路ＡＰと連結するように形成されている。酸素用のマニホールド孔Ｍ５、Ｍ６は、第２流路成形部位によって形成されるカソード流路ＣＰと連結するよう形成されている。
【００３９】
図３（Ａ）は、第１実施例としての単セルに用いるセパレータ３０を示す概略図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）における３Ｂ−３Ｂ切断における断面図を示している。
【００４０】
セパレータ３０は、図２に示すシール一体型膜電極接合体２０と同じ大きさで構成されており、２枚の薄い金属板１２ａ、１２ｃを接合して構成されている。一方の金属板１２ａには金属板１２ａの一部を矩形に折り曲げて突出させることによって矩形状の溝３３を２本形成している。この溝３３によって他方の金属板１２ｃとの間に冷媒流路ＷＰが形成されている。なお、溝３３の形状は矩形でなくとも良い。
【００４１】
２つの溝３３はそれぞれ、シール一体型膜電極接合体２０とセパレータ３０とを重ねた時に、対応する２つの第１流路形成部位１１Ａのマニホールド孔Ｍ１、Ｍ２と連結するように形成されている。溝３３の長さＬ２は、図２に示すシールガスケット２３の薄部２３ｔの左右両端の距離Ｌ２と等しい。溝３３の深さは、図２（Ｂ）に示す第１流路形成部位１１Ａにおけるアノード電極層１４ａの外面から第２流路形成部位１１Ｂにおけるアノード電極層１４ａの外面までの距離Ｌ３と等しい。
【００４２】
また、セパレータ３０には、シール一体型膜電極接合体２０のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の形成部位と同じ位置にマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が、２枚の金属板１２ａ、１２ｃをそれぞれ貫通して形成されている。従って、マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２は、セパレータ３０の溝３３を貫通して形成されている。
【００４３】
図４（Ａ）は、第１実施例としての単セル４０を示す断面図である。単セル４０は、シール一体型膜電極接合体２０のアノード電極層１４ａに接するようにセパレータ３０を配置したものである。アノード流路ＡＰとカソード流路ＣＰにはそれぞれ多孔体１６が収納されている。
【００４４】
多孔体１６は、２つの流路ＡＰ、ＣＰに供給された水素及び酸素をそれぞれアノード電極層１４ａ及びカソード電極層１４ｃへと行き渡らせる役割がある。しかし、単セル４０には、２つの電極層１４ａ、１４ｃと多孔体１６とがそれぞれ接していない部位、即ち、セパレータ３０と膜電極接合体１１とが直接接する接触部位４２（破線で図示）がある。この部位４２においては、水素および酸素はそれぞれ、２つの電極層１４ａ、１４ｃに設けられているガス拡散層１５によって電解質膜１３へと供給することができる。
【００４５】
しかし、多孔体１６が２つの流路ＡＰ、ＣＰに少しも設けられていない状態を想定するならば、２つの流路ＡＰ、ＣＰから水素および酸素が上記接触部位４２のガス拡散層１５へと流入する量が減少する可能性がある。なぜなら、密度の低い部位から密度の高い部位へは流体は流れにくいためである。従って、２つの流路ＡＰ、ＣＰには少なくとも一部に多孔体１６を設けることによって流路内の密度を多少なりとも高くすることが好ましい。
【００４６】
また、多孔体１６を設けることによって、膜電極接合体１１において発電した電気をセパレータ３０へと導く経路を確保できる。さらに多孔体１６を設けることによって、上述したように、ガス拡散層１５をカーボンペーパーなどで構成した場合に、膜電極接合体１１の凹凸形状を保持することができる。
【００４７】
単セル４０を積層して燃料電池スタックとして実際に使用する場合の、各単セル４０における流体の流れを説明する。図４（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ、図４（Ａ）において示す４Ｂ−４Ｂ切断、４Ｃ−４Ｃ切断、４Ｄ−４Ｄ切断における各流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰの断面図を示している。なお、それぞれの図は燃料電池スタックにおける任意の単セル４０を単体で図示しており、他の単セル４０については図示を省略してある。
【００４８】
図４（Ｂ）に示すように、マニホールド孔Ｍ１から燃料電池スタック内部へと供給された水の一部は、各単セル４０の冷媒流路ＷＰを通過してマニホールド孔Ｍ２より燃料電池スタックの外部へと排出される。
【００４９】
また、図４（Ｃ）に示すように、マニホールド孔Ｍ３から燃料電池スタック内部へと供給された水素の一部は、各単セル４０のアノード流路ＡＰへと供給される。アノード流路ＡＰ内に配置された多孔体１６により水素はアノード電極層１４ａへ行き渡り、電解質膜１３へと至る。電解質膜１３において電気化学反応に供されなかった水素は、そのままアノード流路ＡＰを通過してマニホールド孔Ｍ４から燃料電池スタックの外部へと排出される。
【００５０】
同様に、図４（Ｄ）に示すように、マニホールド孔Ｍ５から燃料電池スタック内部へと供給された酸素は、各単セル４０のカソード流路ＣＰへと供給される。カソード流路ＣＰ内に配置された多孔体１６により酸素はカソード電極層１４ｃに行き渡り、電解質膜１３へと至る。電解質膜１３において電気化学反応に供されなかった水素は、そのままアノード流路ＡＰを通過してマニホールド孔Ｍ４から燃料電池スタックの外部へと排出される。
【００５１】
Ｂ．第２実施例：
上記第１実施例においては、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が各流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰの全てに対して供給用、排出用の２つずつが形成されていた。この構成によると流路を増すとマニホールド孔もそれに応じて形成する必要がある。しかし、次に示す第２実施例のように、マニホールド孔をまとめることで１つの単セルに対してマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６をそれぞれ１つずつ形成することも可能である。
【００５２】
この第２実施例においては、それぞれ異なる構成の２種類の単セルを１組の単セル層とし、その単セル層を積層することによって燃料電池スタックを構成する。以下にそれぞれの単セルを構成するシール一体型膜電極接合体及びセパレータについて順に説明する。なお、単セルの要部の構造は、図１に示した第１実施例の構造と同じである。
【００５３】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施例としての第１の単セルに用いられる第１のシール一体型膜電極接合体５０を示す概略図である。第１のシール一体型膜電極接合体５０は、図２（Ａ）〜（Ｄ）において示したシール一体型膜電極接合体２０と膜電極接合体１１は同じであるが、その外周縁に成形されたシールガスケット２３の形状が異なる。
【００５４】
図５（Ａ）は、第１のシール一体型膜電極接合体５０のカソード電極層１４ｃ側を示している。シールガスケット２３には流体の漏洩をシールするためのシールラインＳＬが形成されており、図中では二条線で示してある。シールラインＳＬはシールガスケット２３に例えばリップ（突起部）として形成することができる。
【００５５】
シールガスケット２３には、貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が各１つずつ形成されており、供給用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５は、排出用マニホールド孔Ｍ２、Ｍ４、Ｍ６と膜電極接合体１１を挟んで対向する位置に形成されている。また、シールガスケット２３には、膜電極接合体１１の第１流路形成部位１１Ａの両端の傍らに貫通孔である水素流入孔５１がそれぞれ設けられている。
【００５６】
マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、それぞれシールラインＳＬで囲まれている。水素用マニホールド孔Ｍ３、Ｍ４を囲むシールラインＳＬは、水素流入孔５１も囲むように形成されており、図中の矢印Ａの示す水素の経路を確保する。また、第２流路形成部位１１Ｂの両端がシールラインＳＬによって閉じられ、図中の矢印Ｃの示す酸素の経路を確保する。
【００５７】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）において示す５Ｂ−５Ｂ切断における第１のシール一体型膜電極接合体５０の一部断面を示している。シールガスケット２３は、第１のシール一体型膜電極接合体５０を単セルとして組み付けた際に、流体が単セルの外部へと漏洩しないだけの厚みを有している。また、シールガスケット２３の第１流路形成部位１１Ａと接する内縁部には、水素流入孔５１とアノード流路ＡＰとなる部位とを連結するように連結孔５２が形成されている。連結孔５２によって水素は膜電極接合体１１のアノード電極層１４ａ側へ供給される（図５（Ｂ）における矢印Ａ）。
【００５８】
図５（Ｃ）は、第１のシール一体型膜電極接合体５０のアノード電極層１４ａ側を示している。各マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、図５（Ａ）と同様にシールラインＳＬによって囲まれている。ただし、冷媒用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ２を囲むシールラインＳＬは、第１流路形成部位１１Ａの冷媒流路ＷＰが形成されるであろう部位に接続するように形成され、図中の矢印Ｗで示す水の経路を確保する。また、水素流入孔５１もそれぞれシールラインＳＬで囲まれている。
【００５９】
図６（Ａ）〜（Ｂ）は、第１の単セルに用いられる第１のセパレータ６０を示す概略図である。図３（Ａ）〜（Ｂ）に示したセパレータ３０と以下に説明する相違点以外は同じである。
【００６０】
第１のセパレータ６０は第１のシール一体型膜電極接合体５０と同じ大きさに形成されている。冷媒流路ＷＰとなる溝６１は、図５（Ａ）に示す膜電極接合体１１の供給用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５側の端面から排出用マニホールド孔Ｍ２、Ｍ４、Ｍ６側の端面までの距離Ｌ４と同じである。また、第１のシール一体型膜電極接合体５０と同じ位置に水素流入孔５１が貫通して形成されている。
【００６１】
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の単セルに用いられる第２のシール一体型膜電極接合体７０を示す概略図である。図７（Ａ）は、第２のシール一体型膜電極接合体７０のカソード電極層１４ｃ側を示しており、図５（Ａ）に示す第１のシール一体型膜電極接合体５０とシールラインＳＬの形状が異なる点と、後述する酸素流入孔７２が設けられている点以外は、ほぼ同じである。
【００６２】
シールラインＳＬはマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６をそれぞれ囲んでいる。但し、酸素用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６を囲むシールラインＳＬは、酸素用マニホールド孔Ｍ５、Ｍ６がカソード流路ＣＰとなる第２流路形成部位１１Ｂと接続するように形成され、図中の矢印Ｃで示す酸素の経路を確保している。
【００６３】
第２のシール一体型膜電極接合体７０には、シールガスケット２３を貫通する酸素流入孔７２が設けられている。酸素流入孔７２は、上記の酸素の経路上に設けられており、第２流路形成部位１１Ｂとマニホールド孔Ｍ５の間と、第２流路形成部位１１Ｂとマニホールド孔Ｍ６との間に設けられている。また、酸素流入孔７２は、第１のシール一体型膜電極接合体５０（図５（Ａ））と第２のシール一体型膜電極接合体７０とを重ねて見たときに、第１のシール一体型膜電極接合体５０における酸素の経路と接続する位置にある。
【００６４】
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）において示す７Ｂ−７Ｂ切断における第２のシール一体型膜電極接合体７０の一部断面を示している。図７（Ｂ）は、水素流入孔５１がシールガスケット２３を貫通することなく、そのまま連結孔５２と連結している点以外は図５（Ｂ）と同じである。
【００６５】
図７（Ｃ）は、第２のシール一体型膜電極接合体７０のアノード電極層１４ａ側を示している。図７（Ｃ）は、図５（Ｃ）に示す第１のシール一体型膜電極接合体５０と、酸素流入孔７２とそれを囲むシールラインＳＬとが設けられている点と、上述したように水素流入孔５１が貫通していない点以外は、ほぼ同じである。
【００６６】
図８（Ａ）〜（Ｂ）は、第２の単セルに用いられる第２のセパレータ８０を示している。図８（Ａ）〜（Ｂ）は、水素流入孔５１がない点と、酸素流入孔７２が設けられている点以外は、図６（Ａ）〜（Ｂ）と同じである。酸素流入孔７２は、第２のシール一体型膜電極接合体７０と同じ位置に設けられた貫通孔である。
【００６７】
図９は、第１の単セル９０Ａと第２の単セル９０Ｂとからなる単セル層９０の構造を示す断面図である。
【００６８】
第１の単セル９０Ａは、第１のシール一体型膜電極接合体５０のアノード電極層１４ａ側に接するように第１のセパレータ６０を配置することによって構成されている。同様に、第２の単セル９０Ｂは、第２のシール一体型膜電極接合体７０のアノード電極層１４ａ側に接するように第２のセパレータ８０を配置することによって構成されている。アノード流路ＡＰ及びカソード流路ＣＰにはそれぞれ多孔体１６が収納されている。
【００６９】
単セル層９０を積層して燃料電池スタックとして実際に使用する場合の、各単セル層９０における流体の流れを説明する。図１０（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図９において示す１０Ａ−１０Ａ切断、１０Ｂ−１０Ｂ切断、１０Ｃ−１０Ｃ切断における各流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰの断面を示している。なお、図中の矢印Ｗ、Ａ、Ｃは、各流体の経路を示している。また、それぞれの図は燃料電池スタックにおける任意の単セル層９０を単体で図示しており、他の単セル層９０については図示を省略してある。
【００７０】
図１０（Ａ）に示すように、冷媒供給用のマニホールド孔Ｍ１から供給された水の一部は、第１のシール一体型膜電極接合体５０及び第２のシール一体型膜電極接合体７０の表面に設けられた経路（図５（Ｃ）及び図７（Ｃ）の矢印Ｗ）と、冷媒流路ＷＰとを通過して、排出用のマニホールド孔Ｍ２から燃料電池スタックの外部へと排出される。
【００７１】
図１０（Ｂ）に示すように、水素供給用のマニホールド孔Ｍ３から供給された水素の一部は、第１のシール一体型膜電極接合体５０の表面に設けられた経路（図５（Ａ）の矢印Ａ）と、水素流入孔５１及び連結孔５２によりそれぞれ２つの単セル９０Ａ、９０Ｂのアノード流路ＡＰへと供給される。電気化学反応に供されることのなかった水素は、排出用のマニホールド孔Ｍ４から燃料電池スタックの外部へと排出される。
【００７２】
図１０（Ｃ）に示すように、酸素供給用のマニホールド孔Ｍ５から供給された酸素の一部は、第２の単セル９０Ｂにおいては、第２のシール一体型膜電極接合体７０の表面に設けられた経路（図７（Ａ）の矢印Ｃ）とカソード流路ＣＰとを経て排出用のマニホールド孔Ｍ６から燃料電池スタックの外部へと排出される。また、第２の単セル９０Ｂに設けられた酸素流入孔７２に分岐した酸素は、第２の単セル９０Ｂの下に配置された第１の単セル９０Ａのカソード流路ＣＰへと流入し、再び酸素流入孔７２により、第２の単セル９０Ｂの排出酸素と合流する。
【００７３】
Ｃ．第３実施例：
図１１は、第３実施例としての単セルの構造を示す断面図である。図１１に示す単セル層１１０は、セパレータ１２０、１３０の形状が、図９に示した単セル層９０とセパレータ６０、８０の形状が異なることによって２つの流路ＡＰ、ＷＰの配置が異なっている点以外は、図９とほぼ同じである。
【００７４】
このような構成としても図１１に示すように、矢印Ｐの方向へ単セル１１０を平面Ｓに投影した場合の、膜電極接合体１１の投影領域Ｐｍと各流路の投影領域Ｐａ、Ｐｃ、Ｐｗとは重なり合う部分を有している。従って、単セル層１１０を構成する単セル１１０Ａ、１１０Ｂは薄型となっている。即ち、アノード流路ＡＰにおける膜電極接合体１１との接触面積を増すことができ、発電効率を向上することができる。
【００７５】
本実施例における単セル層１１０は、２つの単セル１１０Ａ、１１０Ｂを組み合わせたものである。第１の単セル１１０Ａは、第２実施例における第１のシール一体型膜電極接合体５０と後述する第１のセパレータ１２０とを組み合わせたものである。また、第２の単セル１１０Ｂは、第２実施例における第２のシール一体型膜電極接合体７０と後述する第２のセパレータ１３０とを組み合わせたものである。
【００７６】
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、第１のセパレータ１２０を示す概略図であり、冷媒流路ＷＰとなる溝１２１の形状が異なる点以外は、図６（Ａ）、（Ｂ）とほぼ同じである。
【００７７】
第１のセパレータ１２０の溝１２１の幅は、第１流路形成部位１１Ａにおける幅Ｌ５（図１１）と同じであるとしても良く、第１流路形成部位１１Ａに溝１２１が収納され得る幅であれば良い。また、溝１２１の深さＬ６は、第１のセパレータ６０の溝６１の深さＬ３（図６（Ｂ））よりも浅くする。例えば溝１２１の深さＬ６は溝６１の深さＬ３の半分としても良い。
【００７８】
図１３（Ａ）、（Ｂ）は、第２のセパレータ１３０を示す概略図であり、溝１２１が第３のセパレータ１２０と同じである点以外は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す第２のセパレータ８０とほぼ同じである。
【００７９】
単セル層１１０を積層して燃料電池スタックとして実際に使用する場合の、各単セル層１１０における流体の流れを説明する。図１４（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図１１において示す１４Ａ−１４Ａ切断、１４Ｂ−１４Ｂ切断、１４Ｃ−１４Ｃ切断における各流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰの断面を示している。なお、図中の矢印Ｗ、Ａ、Ｃは、各流体の流れを示している。また、それぞれの図は燃料電池スタックにおける任意の単セル層１１０を単体で図示しており、他の単セル層１１０については図示を省略してある。
【００８０】
図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、冷媒流路ＷＰ及びアノード流路ＡＰの配置が異なる点以外は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じである。従って、各流体の経路は、第２実施例と同じである。
【００８１】
Ｄ．変形例：
上記実施例はあくまで、この発明の実施可能な一形態の例示であり、流体（水、水素、酸素）を各流路ＷＰ、ＡＰ、ＣＰに流入させる方法は、上記実施例の方法に限定されるものではない。
【００８２】
例えば、冷媒流路ＷＰにおいては、第１実施例のようにそれぞれの冷媒流路ＷＰに対してマニホールド孔を設け、他の２つの流路ＡＰ、ＣＰについては第２実施例、第３実施例のようにそれぞれの流路ごとにマニホールド孔をまとめる方法もある。このように、第１実施例ないし第３実施例を適宜組み合わせた方法も可能であるし、それ以外の方法としても良い。また、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６の配置や構成などを適宜変更することも可能である。
【００８３】
さらに、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８４】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例において、２つの電極層１４ａ、１４ｃの全面を覆うように多孔体１６が配置されているものとしても良い。このような構成としても、冷媒流路ＷＰの少なくとも一部が第１流路形成部位１１Ａの凹部に収納されていれば、その分だけ単セルを薄型化でき、２つの流路ＡＰ、ＣＰと膜電極接合体１１との接触面積を増すことによって、発電効率を増すことができる。
【００８５】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例においては、第１流路形成部位１１Ａ及び第２流路形成部位１１Ｂがそれぞれ２つずつ形成されているが、さらに多数の第１流路形成部位１１Ａ及び第２流路形成部位１１Ｂが形成されるものとしても良いし、あるいは、１つずつしか形成されていないものとしても良い。また、複数の第１流路形成部位１１Ａ及び第２流路形成部位１１Ｂを形成する場合、各流路形成部位に形成される流路の容積は一律である必要はなく、任意に変えることができるものとしても良い。
【００８６】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例においては、１つの第１流路形成部位１１Ａに対して１つの冷媒流路ＷＰが形成されているが、複数の冷媒流路が形成されるものとしても良い。逆に、複数の第１流路形成部位１１Ａのうち、冷媒流路ＷＰが存在するものと存在しないものとがあるものとしても良い。この構成によれば、単セル内における冷却効率を任意に変化させることができる。
【００８７】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例においては、冷媒流路ＷＰがアノード電極層１４ａ側に設けられていたが、カソード側に設けられているものとしても良い。即ち、上記実施例において、アノード電極層１４ａとカソード電極層１４ｃとを入れ替えても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】単セルの構造を示す断面図。
【図２】第１実施例におけるシール一体型膜電極接合体を示す概略図。
【図３】第１実施例におけるセパレータを示す概略図。
【図４】第１実施例における単セルの断面図及び各流体の流路を示す模式図。
【図５】第２実施例における第１のシール一体型膜電極接合体を示す概略図。
【図６】第２実施例における第１のセパレータを示す概略図。
【図７】第２実施例における第２のシール一体型膜電極接合体を示す概略図。
【図８】第２実施例における第２のセパレータを示す概略図。
【図９】第２実施例における単セル層を示す断面図。
【図１０】第２実施例における各流体の流路を示す模式図。
【図１１】第３実施例における単セル層を示す断面図。
【図１２】第３実施例における第１のセパレータを示す概略図。
【図１３】第３実施例における第２のセパレータを示す概略図。
【図１４】第３実施例における各流体の流路を示す模式図。
【符号の説明】
【００８９】
１０…単セル
１１…膜電極接合体
１１Ａ…第１流路形成部位
１１Ｂ…第２流路形成部位
１２…セパレータ
１２ａ、１２ｃ…セパレータを構成する金属板
１３…電解質膜
１４ａ…アノード電極層
１４ｃ…カソード電極層
１５…ガス拡散層
１６…多孔体
２０…シール一体型膜電極接合体
２３…シールガスケット
２３ｔ…シールガスケットの薄部
３０…セパレータ（第１実施例）
３３、６１、１２１…溝
４０…単セル（第１実施例）
４２…電極層とセパレータの接触部位
５０…第１のシール一体型膜電極接合体
５１…水素流入孔
５２…連結孔
６０…第１のセパレータ
７０…第２のシール一体型膜電極接合体
７２…酸素流入孔
８０…第２のセパレータ
９０…単セル層（第２実施例）
９０Ａ…第１の単セル
９０Ｂ…第２の単セル
１０００…燃料電池
１１０…単セル層（第３実施例）
１１０Ａ…第１の単セル
１１０Ｂ…第２の単セル
１２０…第１のセパレータ
１３０…第２のセパレータ
ＡＰ…アノード流路
ＣＰ…カソード流路
Ｍ１…冷媒用マニホールド孔（供給用）
Ｍ２…冷媒用マニホールド孔（排出用）
Ｍ３…水素用マニホールド孔（供給用）
Ｍ４…水素用マニホールド孔（排出用）
Ｍ５…酸素用マニホールド孔（供給用）
Ｍ６…酸素用マニホールド孔（排出用）
Ｐａ…投影領域（アノード流路）
Ｐｃ…投影領域（カソード流路）
Ｐｍ…投影領域（膜電極接合体）
Ｐｗ…投影領域（冷媒流路）
Ｓ…平面
ＳＬ…シールライン
ＷＰ…冷媒流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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